高频高压发生器逆变电路的控制方法

庄月琴

上海市岳阳医院放射科(上海，200437)

高频高压发生器逆变电路的控制方法

庄月琴

上海市岳阳医院放射科(上海，200437)

高频高压发生器是X线设备的核心部件之一。根据西班牙SEDECAL、美国QUANTUM、日本SHIMADZU与加拿大CPI四大公司生产的高频高压发生器的高压主回路逆变电路，结合高频高压发生器主电路的结构，分析了串联谐振逆变电路的各种控制方式及特点。它将为该类设备的维修、维护提供相应的技术指导。

高频高压发生器;串联谐振逆变电路;脉冲宽度调制;脉冲频率调制;控制方式;比较

0 引言

高压发生器是X线设备的一个重要部件，按控制的频率可分为工频发生器、中频发生器和高频发生器，而高频高压发生器因其具有较高的射线输出剂量稳定性、体积小、重量轻、控制精度高、重复性好等优点，而被越来越被广泛地应用。除了GE、SIEMENS、PHILIPS三大影像设备商外，专业生产高频高压发生器的厂家也日趋增多，如加拿大的CPI公司、西班牙的SEDECAL公司、国内的北京大恒公司等。

笔者在医院长期从事X线机设备的维修和维护工作，通过对几家典型公司的高频高压发生器电路原理和控制方式进行测试和比较发现，虽然它们的高压逆变电路结构比较类似，但控制方式不尽相同，都有各自的特点。现从高压主回路逆变电路原理出发，对SEDECAL、QUANTUM、HIMADZU和 CPI这四家公司逆变电路的控制方式进行比较说明。

1 串联谐振逆变电路

1．1 电路结构和原理

为了减小开关管的应力，实现零电压或零电流开关过程，目前的高频高压发生器主回路均采用串联谐振逆变电路，如图1所示。图中L和C分别为逆变电路的谐振电感和谐振电容，与四个大功率开关管Q1～Q4一起组成全桥谐振逆变电路。分别对Q1、Q4和Q2、Q3进行交替导通的控制，在高压变压器T的初级即可获得交流电压，变压器升压后得到交流高压，再经高压整流(DB)、滤波(一般采用高压电缆中的分布电容进行滤波)后得到直流高压提供给球管。

图1 串联谐振式高压逆变电路原理Fig．1 The principle of series load resonant converters circuit for high voltage

1．2 谐振频率和开关频率

逆变产生的初级电流(即谐振电感上的电流)波形iL和谐振电容上的电压波形VC如图2所示。图中Tr称为谐振周期，为Q1、Q4(或 Q2、Q3)导通一次产生的正弦电流周期，由电路的谐振电感L和谐振电容C的大小决定，其频率即为谐振频率fr，它们之间的关系为:

我们把Q1、Q4和Q2、Q3交替导通一次的时间称为开关周期Ts，对应的频率称为开关频率fs，也可称之为控制频率。

图2 触发波形、iL电流波形和VC电压波形Fig．2 Trigger waveform for power switch，current waveform of resonance inductance，voltagewaveform of resonance capacity

2 开关模态

根据开关管的开关情况和谐振电感电流iL的方向，串联谐振逆变电路存在四种开关模态。

2．1 Q1、Q4 导通;iL＞0

母线电压U的正端U+→Q1→L→C→高压变压器T的初级→Q4→U－。此时回路中的电流iL＞0，电容C被充电，直到C上的电压VC=2U，则iL=0，如图2中的①时间段;

2．2 D1、D4 导通;iL＜0

由于电容C上的电压为2U，则VC通过L→D1→U+→U－→D4→高压变压器T的初级→C。此时回路中的电流iL＜0，电容C被放电，直到C上的电压VC=2VO，则iL=0，如图2中的②时间段;

2．3 Q2、Q3 导通;iL＜0

母线电压U的正端U+→Q2→高压变压器T的初级→C→L→Q3→U－。此时回路中的电流iL＜0，电容C被反向充电，直到C上的电压VC=－2U，则iL=0，如图2中的③时间段;

2．4 D2、D3 导通;iL＞0

由于电容C上的电压为－2U，则VC通过高压变压器T的初级→D2→U+→U－→D3→L→C。此时回路中的电流iL＞0，电容C被反向放电，直到C上的电压VC=－2VO，则iL=0，如图2中的④时间段;当然还有第五种开关模态，即开关管Q1、Q2、Q3和Q4均关断，谐振电感电流iL等于0，谐振电容电压VC保持不变，如图2中的⑤时间段。

对于以上结构的串联谐振逆变电路，其高压控制的方式有两种:脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，PWM)和脉冲频率调制(Pulse Frequency Modulation，PFM)。以下结合几款高频高压发生器的控制方式作具体介绍。

3 PWM控制方式

西班牙SEDECAL公司生产的HF系列发生器采用PWM控制方式，也就是所谓的脉冲占空比的调制，即控制的频率不变，通过调节脉冲的宽度来改变输出电流或电压的大小，如图3(a)所示，随着控制脉冲的宽度改变，输出电流的有效值发生相应的改变。

图3(b)为SEDECAL高频系列发生器高压逆变电路结构，其开关频率恒定为33kHZ，采用脉宽调制的控制方式下，开关管的开通为零电流状态，但关断为硬关断，存在关断损耗;故开关关断时的应力较大，SEDECAL采用智能功率模块(Intelligent Power Module，IPM)作为功率开关元件，它不仅把功率开关器件(IGBT)和驱动电路集成在一起，而且还内藏有过电压，过电流和过热等故障检测电路，并可将检测信号直接送到CPU，从而大大提高逆变电路的可靠性。图中的C1和C2为吸收电容，用于消除开关过程中的冲击响应。

北京大恒医疗设备有限公司和广西桂林集琦俊龙医疗电子有限公司生产的高频高压发生器也属于这种控制方式。

图3 PWM控制方式Fig．3 PWM control mode

4 PFM控制方式

PFM控制方式是控制脉冲的宽度不变，通过改变脉冲的频率，来达到输出电流和电压的改变，这种控制方式又可分为以下三种:

4．1 f＜fsr

如图4(a)，当控制的开关频率小于谐振频率的一半时，输出的电感电流iL断续工作。这种控制方式的代表机器是美国QUANTUM公司生产的Odyssey系列高频高压发生器，其高压主回路逆变电路结构如图4(b)所示，此发生器的谐振频率80kHz，最高控制频率40kHz，为谐振频率的一半，这种控制方式的开关管开通属于零电流状态，关断为零电流和零电压状态;反并二极管为自然开通和关断。所以电路的开关应力和开关损耗很小，仅采用普通的IGBT模块作为开关元件，另加两个吸收电容C1和C2。图中没有谐振电感元件，而直接采用变压器的漏感，以提高主回路的谐振频率。

图4 开关频率小于谐振频率的一半时的PFM控制方式Fig．4 PFM control mode when the switch frequency is smaller than half of the resonance frequency

当控制的开关频率大于谐振频率的一半且小于谐振频率时，输出的电感电流iL连续工作，如图5(a)。这种控制方式的代表机器是日本HIMADZU公司的生产的HD－150型高频高压发生器，其高压逆变回路的结构如图5(b)所示。此类发生器的谐振频率为32kHz，最高开关频率为30kHz，这种控制方式开关管的关断为零电压和零电流方式，但开通是硬开通，存在开通损耗。反并二极管为自然开通，但关断时有反向恢复电流，因此反并二极管必须采用快恢复二极管。故抑制开通过程中的浪涌电压，SHIMADZU采用RCD单体吸收电路，如图5(b)中的R1、C1、D1，这种缓冲电路的缺点是损耗相当大，因而不适用更高的开关高频。

图5 开关频率小于谐振频率且大于谐振频率一半时的PFM控制方式Fig．5 PFM control mode when the switch frequency is bigger than half of the resonance frequency and is smaller than the resonance frequency

4．3 fs＞fr

当控制的开关频率大于谐振频率时，输出的电感电流iL连续工作，如图6(a)。这种控制方式的代表机器是加拿大CPI公司生产的CMP200高频高压发生器，其高压主回路逆变电路结构如图6(b)所示，其开关的控制频率在80kHz～250kHz，谐振频率为50kHz，这种控制方式与前述不同的是其输出功率随控制频率的增加而减小。其开关管的开通为零电压和零电流开通，但关断是硬关断，存在关断损耗，反并二极管为自然关断。为了实现开关管的零电压关断，可以在每一个开关管上并联一个吸收电容，如图6(b)中的C1～C4。在开关管导通时，电容电压为零。当开关管关断时，其电流转移到并联电容上，电容限制了开关管两端电压的上升率，电压从零慢慢升高，从而实现了开关管的零电压关断，同时也实现了反并二极管的零电压开通。

图6 开关频率大于谐振频率时的PFM控制方式Fig．6 PFM control mode when the switch frequency is bigger than the resonance frequency

另外，不像以上其它的几种控制方式都采用IBGT作为开关元件，而这里采用的是MOSFET，如图6(b)所示，因为MOSFET开关两端的分布电容较大，比较适合于零电压工作方式，而IGBT由于关断时电流的拖尾比较长，所以比较适合于零电流工作方式。

5 结论

由于谐振逆变电路可实现零电压开关或零电流开关的控制，可大大降低开关的损耗以及开关过程中对电路的冲击，故目前市场上的高频高压发生器基本上都采用谐振逆变电路作为高压控制电路，这种电路的控制方式有PWM和PFM之分。西班牙的SEDECAL、北京大恒和广西俊龙采用的是PWM控制方式;而PFM的控制方式又分为三种:开关频率小于谐振频率的一半、开关频率介于谐振频率的一半到谐振频率之间、开关频率大于谐振频率，其对应的生产厂商为美国QUANTUM、日本HIMADZU以及加拿大CPI。

致谢:在论文撰写的过程中得到了上海理工大学医疗器械学院、上海医疗器械高等专科学校黄勇高级工程师的理论指导，在此表示感谢。

［1］阮新波，严仰光．直流开关电源的软开关技术［M］．北京:科学出版社，2000．

［2］王溶泉，医用大型X线机系统［M］．北京，人民军医出版社，1995．

［3］广西俊龙电子有限公司网站，http://www．junlongmedical．com/ggf．htm．

［4］北京大恒医疗设备有限公司，http://www．dhmed．com．cn/prodetail．asp?id=12．

［5］ http://www．mitsubishichips．com/China/products/pdf/catalog/power_c．pdf，三菱功率模块产品目录．

［6］DC30－011 Odyssey HF Generator Service Manual Rev R(Draft)．pdf，Quantum美国公司产品资料．

Overview of High－frequency High Voltage Generator Inverter Circuits Control Mode

Zhuang Yueqin
Department of Radiology，Shanghai Yueyang Hospital(Shanghai，200437)

The high－frequency high voltage generator is one of the core parts in X ray machine．This article analyzes from the principle of the invert circuit for high－frequency high voltage generator to several control modes and their characteristics of series load resonant converters(SLRCs)，combined with configuration of the main circuit of high－frequency high voltage generator that manufacture by four companies－SEDECAL，QUANTUM，HIMADZU and CPI．It can provide corresponding technical guidance for this kind of equipment repair and maintenance．

high－frequency high voltage generator，Series load resonant converters(SLRCs)，PWM，PFM，control mode，Comparison

R812

A

1674－1242(2011)03－0147－04

10．3969/j．issn．1674 －1242．2011．03．006

庄月琴，E －mail:zhuangyueqing@yahoo．cn

2011－07－01)